清華大學(xué)實現(xiàn)室溫光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)及自旋光子學(xué)器件

自旋或谷電子的自由度能夠用于信息的編碼、存儲和傳輸，在推動下一代自旋電子學(xué)或谷電子學(xué)器件的應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。自旋霍爾效應(yīng)（Spin Hall Effect）對發(fā)展自旋電子學(xué)器件十分重要，它通過自旋-軌道耦合使不同自旋的電子在材料中產(chǎn)生定向運動，從而形成單一自旋電流。但受限于電子散射導(dǎo)致的快速退相干效應(yīng)，在室溫下形成宏觀尺度的純自旋電流極為困難。 1 { , F
激子極化激元是激子與光子在半導(dǎo)體微腔中強耦合形成的量子疊加態(tài)，最早由2024年諾貝爾物理獎獲得者霍普菲爾德（John Hopfield）在1958年提出。由于激子極化激元是一種電中性的準(zhǔn)粒子，它能夠有效抑制庫侖相互作用引起的電荷散射，因此被認為是理想的自旋流載體。在斜入射共振激發(fā)產(chǎn)生的激子極化激元中，類比于電子自旋在磁場中分離，其自旋也會在由光學(xué)微腔TE-TM劈裂形成的等效磁場中不斷偏轉(zhuǎn)，從而在實空間和動量空間產(chǎn)生自旋分離現(xiàn)象，即激子極化激元的光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)（Optical Spin Hall Effect），是自旋-光電子學(xué)（spin-optronics）器件應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。2005年，阿雷克�！たǜ＝穑ˋlexey Kavokin）教授首先從理論上預(yù)測了激子極化激元的光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)，并很快在液氦溫度下砷化鎵量子阱微腔中獲得了實驗驗證。然而，由于砷化鎵等經(jīng)典半導(dǎo)體中激子結(jié)合能較小，激子在室溫下無法穩(wěn)定存在，激子極化激元體系中尚未發(fā)現(xiàn)有室溫穩(wěn)定的自旋流存在。 erVO|<%=R

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圖1.在室溫下FAPbBr3微腔中，激子極化激元在動量空間和實空間的自旋分離現(xiàn)象。a，c展示了實驗結(jié)果，b，d為理論計算，實驗數(shù)據(jù)與理論結(jié)果高度吻合

為了解決這些問題，清華大學(xué)物理系熊啟華課題組合作成功制備了高質(zhì)量的有機-無機雜化鈣鈦礦甲脒鉛溴（FAPbBr3）微腔器件。該鈣鈦礦半導(dǎo)體材料具有較大的激子結(jié)合能，且不存在本征各向異性導(dǎo)致的線性劈裂，是實現(xiàn)室溫光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)和自旋光子學(xué)器件的理想平臺。研究團隊通過表征激子極化激元發(fā)光的圓偏振度，利用光學(xué)自旋-軌耦合實現(xiàn)了激子極化激元的自旋分離，在室溫下首次觀察到了激子極化激元的光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)，激子極化激元自旋流在空間的傳播距離達到60微米，并保持自旋流的長程相干性。

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圖2.a，激子極化激元邏輯非門的示意圖。b，實驗結(jié)果和理論計算結(jié)果：右旋圓偏振光共振激發(fā)FAPbBr3微腔樣品，激子極化激元經(jīng)過約80微米的傳輸后，其自旋完全偏轉(zhuǎn)為左旋圓偏振信號輸出，完成一次完整的自旋翻轉(zhuǎn)，即非門操作。c，自旋極化分束器示意圖：激子極化激元遇到高能勢壘時繞過阻礙，向兩側(cè)傳播，分離為兩束具有相反自旋方向的信號輸出。d，自旋極化分束器的實驗和理論結(jié)果

基于這一物理現(xiàn)象，合作團隊進一步設(shè)計并展示了兩種新穎的激子極化激元自旋光子學(xué)器件：邏輯非門和自旋極化分束器。這些激子極化激元器件可以在皮秒尺度內(nèi)進行全光操作，極大地提升了器件的響應(yīng)速度，為未來研發(fā)超快自旋光學(xué)器件提供了新的可能性。
相關(guān)研究成果以“室溫下極化電子學(xué)的相干光學(xué)自旋霍爾輸運”（Coherent Optical Spin Hall Transport for Polaritonics at Room Temperature）為題，于10月22日在線發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）。
法國里爾大學(xué)教授阿爾貝托·阿莫（Alberto Amo）在同期的《自然·材料》上撰寫了評論，對該工作給予了高度評價：“鈣鈦礦基薄膜材料和微腔的結(jié)合，通過特定的光學(xué)自旋軌道耦合效應(yīng)，在室溫下實現(xiàn)了激子極化激元攜帶偏振信息的長距離傳播，并展示了片上光學(xué)偏振功能器件。這一成果對調(diào)控基于偏振態(tài)的光子學(xué)將帶來顛覆性的變化（game changer），無疑將激發(fā)未來更多有趣的研究�！�
清華大學(xué)物理系2019級博士生石瑩和2021級博士生甘雨松為該論文共同第一作者，清華大學(xué)物理系教授熊啟華、北京量子信息科學(xué)研究院副研究員郭桑吉（Sanjib Ghosh）和西湖大學(xué)教授阿雷克希·卡福金（Alexey Kavokin）為論文共同通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金委、北京量子信息科學(xué)研究院等機構(gòu)的資助與支持。